荆州黑麦染色体2R精细物理作图及目标基因定位与效应分析

Chromosome engineering is an important approach for broadening genetic basis of cultivated wheat. Our previous study allocated powdery mildew resistance gene, wheat yellow mosaic virus resistance gene, high protein content and hardness genes on chromosome 2R of Chinese rye Jingzhouheimai, developed 19 stable aberrations involving 2R and a physical map containing 88 markers and 13 blocks, and the powdery mildew resistance gene PmJZHM2RL was mapped to block 2RS-7. Based on these findings, this project will first further phenotype the available aberrations and allocate the genes for resistance to WYMV, high protein and hardness to corresponding blocks of 2R. Then using the aberrations involving genes of interest, more small segmental translocations will be induced using both irradiation and zebularine which is a new method we developed. Using the ditelosomic addition lines DtA2RS and DtA2RL, 2RS and 2RL will be sorted and sequenced, genes and repeat sequences will be analyzed and used for developing more molecular and cytological markers specific for 2R together with the transcriptome sequences already obtained. These markers will be used to characterize the induced small segmental translocations, and develop a high resolution map of 2R. Combination with phenotyping of these translocations, the genes will be fine mapped and new germplasms with relative genes in same wheat backgrounds will be developed and used for understanding the genetic effect of these genes.

染色体工程是拓宽栽培小麦遗传基础的重要途径之一。研究发现荆州黑麦染色体2R高抗小麦白粉病和黄花叶病，具有高蛋白含量和籽粒硬度等基因，初步构建了包含88个分子标记和13个区段的物理图谱，选育出19个稳定的结构变异体。本申请拟首先利用19个2R变异体，区段定位抗黄花叶病、高蛋白含量和籽粒硬度等基因；以包含目标基因的易位系为材料，利用我们最新建立的诱致方法与电离辐射结合，诱致系列更小片段易位系；利用选育的端二体附加系对2RS和2RL进行流式细胞分拣、扩增，高通量测序获得基因组序列，利用这些序列和已获得的转录组序列，开发新的2R分子标记特别是差异表达基因标记和寡核苷酸标记，对小片段易位进行准确鉴定；利用系列小片段易位系进行精细物理作图和目标基因定位，开发用于辅助选择的分子标记；通过标记辅助选择进行回交转育，选育小麦新种质并了解相关基因的表达特点及其遗传效应。

黑麦是小麦改良的重要基因资源，其中黑麦2R染色体携有小麦抗白粉和黄花叶病等重要目标性状基因，前期研究诱致获得了19个小麦-黑麦2R异染色体系，为准确鉴定易位身份、精细定位并发掘与利用其有利基因，本项目利用黑麦转录组和基因组测序序列结合生物信息学分析，开发出12个黑麦重复序列寡核苷酸探针，与前期开发的探针一起组配了3个重复序列寡核苷酸探针套用于建立黑麦、小麦和小黑麦高清晰核型，可以有效识别黑麦染色体多样性和小麦、黑麦染色体变异，开发出496个基于PCR的黑麦2R染色体特异分子标记用于物理作图，通过小麦55K芯片分析，鉴定出324个2R染色体特异SNP标记。发现不同黑麦品种间和个体间染色体存在高度杂合性和异质性，鉴定出27种2R多态类型，新合成八倍体小黑麦5个。从zebualrine诱变的荆辉1号M1植株中发现2R变异染色体140条，发现7个断裂-重接区域，从M4植株中鉴定出涉及2R数目和结构变异的小黑麦单株23个。构建了包含287个分子标记的2R物理图谱，包括7个染色体区段，其中，黑麦secalin蛋白定位于2RS-1区段，发现2R携有控制小黑麦穗长基因。综合分子标记和细胞学分析，确定了小麦-黑麦易位系T5DL.5DS-2RS和T1BLBS-1RS#1的易位断点，其中T5DL.5DS-2RS缺失5DS顶端约3.8Mb区段，同时缺失了基因PinA、PinB和GSP，但引入了黑麦2RS的secalin基因，因此显著提高了籽粒硬度并具有增加籽粒蛋白的效应，开发出一个特异分子标记组合可以同时识别纯合和杂合T5DL.5DS-2RS，加快了该易位向栽培小麦的转移，选育出10份性状良好的高硬度小麦种质。研究还将其他3个易位系转移进栽培品种，为小麦抗病和品质改良提供了新种质。

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